(57)【要約】【課題】水平室炉式コークス炉から発生する乾留ガス顕熱の効率的且つ簡便な回収方法を提供する。【解決手段】乾留ガスと酸化鉄含有物質１５とをコークス炉１の炭化室２の上昇管８にて直接接触させ、熱交換を行うと共に酸化鉄含有物質１５を還元せしめ、然る後に、その酸化鉄含有物質１５を炭化室に排出し、コークス３と一緒にコークス乾式消火設備６に導入し、そこで不活性ガスとの熱交換により顕熱を回収する。冷却後は、コークス３と共に還元された酸化鉄含有物質１５を高炉７に装入し、高炉での還元エネルギーを低減することにより化学エネルギーとして回収することができる。【選択図】      図１
2005336231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平室炉式コークス炉で発生する乾留ガスと酸化鉄を含有する物質とを当該コークス炉の上昇管内で直接的に接触させ、その後、当該物質を回収することを特徴とするコークス炉発生ガス顕熱の回収方法。
【請求項２】
前記乾留ガスと接触した酸化鉄含有物質を、炭化室を経由してコークス乾式消火設備に導入し、そこでガスとの熱交換によって酸化鉄含有物質の顕熱を回収することを特徴とする請求項１に記載のコークス炉発生ガス顕熱の回収方法。
【請求項３】
前記乾留ガスと接触した後に回収された酸化鉄含有物質を、高炉の原料として用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のコークス炉発生ガス顕熱の回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭類を乾留してコークスを製造する際に発生する、乾留ガスの顕熱を回収するコークス炉発生ガス顕熱の回収方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水平室炉式コークス炉において、石炭類を乾留してコークスを製造する場合には、概略次のような工程をとる。まず、適当な性状の石炭類を粒度調整し、場合によっては部分的に乾燥或いは成型を行った後、それらをコークス炉の炭化室と呼ばれる、例えば幅約０．３〜０．６ｍ、高さ約４〜８ｍ、長さ約１０〜２０ｍの密閉された空間に装入する。コークス炉は、燃焼室と呼ばれる、例えば幅約０．５〜１ｍで、高さ及び長さが前記炭化室と略同じ煉瓦構造体と炭化室とを一組とし、それらを交互に連続して１０〜５０組程度設置されて構成される。燃焼室には燃料ガスを燃焼させるバーナ構造などが設置され、炭化室に装入された石炭は燃焼室からの熱で加熱乾留される。そして、炭化室内の石炭を約１５〜２４時間加熱することにより約１０００℃のコークスとなる。その後、炭化室の長手方向両端に設置された炉蓋を開放し、一方から押出機のラムを挿入して他方から赤熱コークスを押出し、冷却して製品としてのコークスが得られる。
【０００３】
加熱によって石炭がコークスとなる過程において、石炭からは、水分やガス、タール等（以下、これらをまとめて「乾留ガス」と称する）が揮発する。この乾留ガスは、炭化室の上部に設置された上昇管から吸引され、分離、精製などの工程を経て、コークス炉ガスやタール等として有効利用される。しかしながら、この乾留ガスが持つ顕熱は、温度も比較的高く（上昇管部位において約６００〜８００℃）、多量（石炭１ｔあたり約３００Ｎｍ3 発生）であるにも係わらず、十分に回収されていない。
【０００４】
実用に供された乾留ガスの顕熱回収技術としては、例えば上昇管の周囲に熱交換器を設置し、熱媒体を循環させることで、乾留ガスから熱媒体への間接的熱交換によって顕熱を回収するもの（例えば特許文献１）や、上昇管内部に設置した石灰石と乾留ガスとの直接熱交換によって石灰石を焼成し、乾留ガスの顕熱を化学エネルギーとして回収するもの（例えば特許文献２）がある。
【特許文献１】特開昭５７−９８７０２号公報
【特許文献２】特開２００３ー２９２９６１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来のコークス炉発生ガス顕熱の回収方法には、夫々、以下のような問題がある。
即ち、前記特許文献１に記載されるものでは、熱媒体と乾留ガスとが間接的に接触するものであるため、熱交換の効率が十分でない。特に、熱媒体として有機系の物質を用いる場合には、当該熱媒体の熱分解温度（約４００℃）が使用限界となるため、高温の乾留ガス顕熱を有効に回収することができない。仮に、更なる高温下での使用に耐える熱媒体（例えば原子力発電で用いられているような溶融金属など）を用いたとしても、間接熱交換のための熱交換器材質の問題や、安全対策の困難性という問題もある。更に、コークス工場では数十〜数百本に至る上昇管全てに熱交換器を取付けるコストの大きさや、熱交換によって温度上昇した熱媒体から再び熱を回収する設備を別途必要とすることの煩雑さがあり、普及の大きな妨げとなっている。
【０００６】
これに対し、前記特許文献２に記載されるものでは、乾留ガスの顕熱が固体の石灰石と直接熱交換されるので、特許文献１に記載されるものよりも熱回収効率の向上が期待できる。しかしながら、この技術では、乾留ガスの顕熱は化学エネルギー、即ち石灰石の焼成反応及び焼成反応によって生成したＣＯ2 ガスの還元反応に利用されることで回収されており、熱交換によって高温となった反応後の石灰石は、単に上昇管から抜き出されるだけで、その顕熱の回収法については述べられていない、つまり乾留ガスの顕熱を十分に回収しきっていないという問題がある。
本発明は、これらの諸問題を解決すべく開発されたものであり、効率的且つ簡便なコークス炉発生ガス顕熱の回収方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の目的を達成するために、高効率な熱交換方法の採用、乾留ガス顕熱の熱エネルギー及び化学エネルギーとしての回収の併用、乾留ガスから回収した熱をより簡便に利用する方法を採用する。具体的には、高効率な熱交換方法として、コークス炉の上昇管部において、乾留ガスと直接熱交換を行う方式を採用し、熱を受け取る物質して酸化鉄を含有する物質を用いる。このようにすると、乾留ガスの顕熱は酸化鉄含有物質の温度上昇に用いられる他、乾留ガス中に含まれる還元性ガスによって酸化鉄が還元されるので、乾留ガスの持つエネルギーは化学エネルギーとしても回収される。また、このようにして熱交換した後の酸化鉄含有物質を上昇管から炭化室内に落とし、炭化室内のコークスと共に又は当該コークスとは個別にコークス乾式消火設備に移送すれば、その顕熱は特段の新規な回収設備を設置することなく、例えば不活性ガスの熱エネルギーとして回収可能である。また、コークス乾式消火設備で冷却された還元後の酸化鉄含有物質をコークスと共に高炉の原料として用いれば、既に還元に寄与した化学エネルギーは高炉における還元所要エネルギーの減少という形で容易に回収できる。なお、乾留ガスによって還元され且つコークス乾式消化設備で冷却された酸化鉄含有物質は、大気中の酸素程度では再酸化しにくく、回収された化学エネルギーが失われることはない。
【０００８】
而して、上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係るコークス炉発生ガス顕熱の回収方法は、水平室炉式コークス炉で発生する乾留ガスと酸化鉄を含有する物質とを当該コークス炉の上昇管内で直接的に接触させ、その後、当該物質を回収することを特徴とするものである。
また、本発明のうち請求項２に係るコークス炉発生ガス顕熱の回収方法は、前記請求項１の発明において、前記乾留ガスと接触した酸化鉄含有物質を、炭化室を経由してコークス乾式消火設備に導入し、そこでガスとの熱交換によって酸化鉄含有物質の顕熱を回収することを特徴とするものである。
また、本発明のうち請求項３に係るコークス炉発生ガス顕熱の回収方法は、前記請求項１又は２の発明において、前記乾留ガスと接触した後に回収された酸化鉄含有物質を、高炉の原料として用いることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明のうち請求項１に係るコークス炉発生ガス顕熱の回収方法によれば、水平室炉式コークス炉で発生する乾留ガスと酸化鉄を含有する物質とを当該コークス炉の上昇管内で直接的に接触させ、その後、当該物質を回収することにより、乾留ガスの顕熱回収効率を向上することができると共に、回収された物質の酸化鉄還元エネルギーを化学エネルギーとしても回収することができる。
【００１０】
また、本発明のうち請求項２に係るコークス炉発生ガス顕熱の回収方法によれば、乾留ガスと接触した酸化鉄含有物質を、炭化室を経由してコークス乾式消火設備に導入し、そこでガスとの熱交換によって酸化鉄含有物質の顕熱を回収することにより、高温の酸化鉄含有物質の顕熱を効率よく且つ簡便に回収することができる。
また、本発明のうち請求項３に係るコークス炉発生ガス顕熱の回収方法によれば、乾留ガスと接触した後に回収された酸化鉄含有物質を、高炉の原料として用いることにより、回収された物質の酸化鉄還元エネルギー分だけ、高炉での酸化鉄還元エネルギーを低減することができ、これにより乾留ガスの持つエネルギーを化学エネルギーとしても回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に本発明に係るコークス炉発生ガス顕熱の回収方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
まず、図１には、本実施形態のコークス炉から高炉までの流れを示す。図中の符号１は水平室炉式コークス炉であり、図中の符号２は炭化室である。この炭化室２中には、前述のように石炭が装入され、図示されない燃焼室からの熱で加熱乾留されてコークス３となる。このようにして製造されたコークス３は、炭化室２の長手方向両端部の炉蓋を外した後、押出機のラム４を一方の端部から挿入し、他方の端部から押出す。このコークス押出側の端部にはコークスバケット（台車）５が配置されており、押出されるコークス３を回収する。このようにして回収されたコークス３は、コークス乾式消火設備６内に移送され、ここで低温の不活性ガスを吹き付けて冷却され、その後、高炉７に装入される。なお、熱交換によって高温となった不活性ガスの熱はボイラーなどにより回収される。
【００１２】
前記コークス炉１の炭化室２の押出機ラム４側端部には、当該炭化室２内に発生する乾留ガスを導入する上昇管８が設けられている。この上昇管８の詳細を図２に示す。この上昇管８の上端部は上蓋１０で閉塞され、その側方から下方に向けて曲り管部１１が連設され、その下方にドライメーン１２が設けられている。この曲り管部１１には、安水スプレー１３が設けられており、この安水スプレー１３から高圧安水を噴射することによって乾留ガスをドライメーン１２側に吸引する。
【００１３】
前記上昇管８の途中には、乾留ガスが通過する程度の貫通穴が多数形成された耐熱性物質製の目皿１４が設けられ、その上方に酸化鉄含有物質１５が載置されている。従って、前記安水スプレー１３から高圧安水を噴射することによって乾留ガスがドライメーン１２側に吸引されると、上昇管８に装入された酸化鉄含有物質１５と乾留ガスとが直接的に接触し、後述するように乾留ガスの顕熱回収が行われる。なお、この目皿１４は、下方、つまり炭化室２側に開閉自在となっている。
【００１４】
本実施形態において、コークス炉で発生する乾留ガスと接触させる酸化鉄含有物質としては、製鉄原料として高炉に装入される物質が好適である。具体的には、若干の副原料と共に鉄鉱石を焼結させた焼結鉱、粉鉱石を造粒したペレット、或いは鉄鉱石をそのまま用いることができる。本実施形態の特徴とする点は、乾留ガスと接触させる物質は、単なる熱交換媒体としてのみでなく、乾留ガスによってその一部が還元され、化学エネルギーとしても回収を行う点にあるため、還元を受ける物質であれば上記の物質でなくともよい。
【００１５】
また、乾留ガスと接触させる物質の形状としては、塊状の物質が好適である。その理由として、乾留ガスとの接触によって飛散しにくいということや、乾留ガスとの接触後、炭化室を経由して前記コークス乾式消火設備で熱回収を行うときにも飛散による損失を防げるということが挙げられる。逆に言えば、乾留ガスとの接触時に飛散を防止する工夫を施しておけば、例えば粉状の物質を使用することも可能となる。
【００１６】
また、上昇管内部に酸化鉄含有物質を装入する方法としては、前記上昇管の上蓋を開放して、そこから上昇管内部に落とす方法が簡便である。このようにする場合の上昇管の改造は、内部に目皿を設置するだけであり、極めて簡易である。また、コークス炉に複数の上昇管がある場合でも、酸化鉄含有物質を上昇管内に装入する装置を、例えばコークス炉１炉団あたり１機程度設置し、その装置が、複数の上昇管を移動して酸化鉄含有物質を装入するようにすれば、設備も簡潔になる。また、このような酸化鉄含有物質装入装置を、コークス炉既存の装炭車に付設することも可能である。
【００１７】
また、本実施形態では、前記目皿を炭化室側に開閉自在としたため、乾留ガスとの熱交換が終了した後に目皿を開放することにより、還元された酸化鉄含有物質が炭化室内に排出される。従って、この還元された酸化鉄含有物質は、炭化室内のコークスと共に排出され、前記コークス乾式消火設備内に移送され、そこで顕熱回収が行われる。なお、目皿の代わりに、耐熱性材料で作られ、且つ必要に応じて下部が開閉可能な網状の袋に酸化鉄含有物質を入れ、その袋を上昇管内部に吊り下げるように設置してもよい。また、公知の間接熱交換による顕熱回収方法と併用することも可能である。
【００１８】
コークス炉において石炭を乾留することによって発生する乾留ガスの組成は、水素を約５０〜６０体積％、一酸化炭素を約１０体積％含有しており、上昇管内の乾留ガス温度は約６００〜８００℃程度である。このような環境では、酸化鉄の還元反応が速やかに起こることが知られている。その還元率は、乾留ガスと酸化鉄含有物質の接触の効率によっても変化するが、仮に還元率が小さくても、還元を受けた酸化鉄含有物質を高炉に装入すれば、還元を受けた分だけ高炉における所要還元量は確実に減少し、化学エネルギーとして回収される。
【００１９】
乾留ガスによって酸化鉄を還元すると、乾留ガス中の水素は水に、一酸化炭素は二酸化炭素に変化し、回収される乾留ガスの熱量若しくはガス量が減少するが、ここで消費された還元性のガスは無駄に消費されたわけではなく、その分だけ高炉における還元ガスの所要量が減少するため、酸化鉄含有物質が溶銑になる全工程で考えればエネルギーの損失はない。
【００２０】
なお、乾留ガスと酸化鉄含有物質（固体）とを上昇管部で接触させることによる副次的効果として、乾留ガスに同伴される石炭やコークスの粉塵が固体に付着して除去されるという効果がある。このような粉塵は、前述のようにして回収されるタールの品質に悪影響を及ぼすことが知られており、酸化鉄含有物質の固体部分で除去されればタール品質の向上や精製工程の簡略化が期待できる。更に、酸化鉄含有物質に付着した石炭やコークスの粉塵類及び乾留ガス中のタール成分が熱分解して生成した炭素も、酸化鉄の還元剤となり得るという効果もある。
【００２１】
本実施形態の方法により乾留ガスと酸化鉄含有物質の固体とを上昇管部において接触させると、そのような固体の存在しない場合に比べて、乾留ガスの通気抵抗が増大するが、ガスの吸引力を増大することで安定的な乾留ガスの吸引は確保される。具体的には、例えば通常の操業において、大量の乾留ガスを吸引する場合に用いられる上昇管部での高圧安水スプレーによる吸引力を増大すればよい。
【００２２】
このようにして熱交換され、部分的に還元された酸化鉄含有物質は、例えば前記特許文献２に記載される方法で上昇管から外部に抜き出してもよいが、より好ましくは、炭化室を経由して排出するのがよい。なぜならば、炭化室内に排出し、炭化室内のコークスと共にコークス乾式消火設備に導入することにより、顕熱の回収が行われるため、熱回収のための特段の設備を設置することなく熱回収が可能であるためである。
【００２３】
なお、乾留ガスと酸化鉄含有物質との熱交換を行う時間は、１回の石炭乾留につき、酸化鉄含有物質の上昇管部への装入、排出を複数回行うことも可能である。この場合、１回あたりの酸化鉄含有物質の熱回収量（顕熱及び化学エネルギー）は小さくなるが、総量としては熱回収量を増大することもできる。また、酸化鉄含有物質を上昇管内に装入した後、複数回の石炭乾留を行うことも可能である。この場合には、顕熱としての回収量は限られるものの、酸化鉄含有物質の還元がより進行し、化学エネルギーとしての回収量が増大する。
【００２４】
酸化鉄含有物質を炭化室内に排出する場合、その一部が炭化室の煉瓦と接触する可能性がある。炭化室煉瓦は、一般に珪石煉瓦から構成され、この珪石煉瓦と酸化鉄とが高温で接触するとファイヤライトという鉱物に変成して、その結果、珪石煉瓦が浸食されるという問題がある。このような問題を防止するためには、酸化鉄含有物質の還元を可及的に進行し、少なくとも珪石煉瓦との予想接触時間の範囲では酸化鉄と珪石煉瓦との反応が進行しないように、酸化鉄含有物質内の表面における酸化鉄が十分に還元された状態とすればよい。
【００２５】
熱交換後の酸化鉄含有物質と珪石煉瓦との接触を完全に防止したい場合、或いはコークスと酸化鉄含有物質とが共存した状態で排出したくない場合には、例えばコークスを押出す押出機ラムの上部に酸化鉄含有物質を載置するための専用の容器を設け、一旦、その容器で酸化鉄含有物質を受けた後、押出し作業と並行してコークス出口側に運び、炭化室の出口で赤熱コークスを受けたコークスバケット上に酸化鉄含有物質を排出するか、或いは別途回収するようにしてもよい。
【００２６】
なお、多くのコークス炉では、図１に示すように、上昇管は炭化室の押出機に近い部位に設置されているが、一つの炭化室に複数の上昇管を持つ炉形式の場合、炭化室のコークス排出口に近い部位にも上昇管が設置されている場合がある。酸化鉄含有物質と珪石煉瓦との接触を避けるという観点からは、そのような炉形式のコークス炉においては、コークス排出口に近い部位の上昇管に酸化鉄含有物質を装入するようにしてもよい。
【００２７】
このようにして、望ましくは熱交換後の酸化鉄は炭化室内に排出され、コークス乾留後に、コークスと共にコークス乾式消火設備に導入される。コークス乾式消火設備では、装入された高温のコークス及び酸化鉄含有物質が低温の不活性ガスによって冷却され、温度上昇した不活性ガスの熱がボイラーなどで回収される。
コークス乾式消火設備から排出されるコークスと酸化鉄含有物質との混合物は、望ましくはそのまま高炉に送られるが、比重差や磁力などを利用した選別を行うことは可能である。なお、コークス乾式消火設備から回収される酸化鉄含有物質は約２００℃以下まで冷却されているため、大気中の酸素によって再酸化される反応速度は小さく、高炉への直送乃至短時間の貯留の段階においては回収された化学エネルギーが失われてしまうことはない。
【００２８】
このようにして高炉に装入された還元後の酸化鉄含有物質は、更に還元されて溶銑となるが、高炉内での所要還元剤量が少なくてすみ、コークス炉乾留ガスから回収された化学エネルギーは有効に利用される。なお、本実施形態では、酸化鉄含有物質はコークスと共に高炉に装入されるため、その量が多すぎると、高炉内で溶融した場合に、コークス層の通気性を阻害する恐れがある。高炉の操業方法に見合った適正な量の範囲内に制御することが望ましい。
【００２９】
次いで、本実施形態の実施例として、或るコークス炉の炭化室の上昇管の上蓋を開け、当該上昇管内の目皿上に、炭化室が空の状態で、粒径２０ｍｍ以上の焼結鉱約１００ｋｇを装入した。次いで、上昇管の上蓋を閉じ、通常の操作で石炭を炭化室に装入した。この際、上昇管の曲り管部への高圧安水スプレーを使用し、炭化室からの乾留ガスを吸引し、装入後も、高圧安水の流量を適宜調節して、炭化室内の圧力を大気圧＋５０Ｐａ程度に制御した。石炭乾留中に、焼結鉱層の温度を計測したところ、７２０℃まで昇温していた。
【００３０】
石炭乾留後、目皿の扉を開いて上昇管内の焼結鉱を炭化室内のコークスの上部の排出し、その後、炭化室の長手方向両側の炉蓋を開放し、押出機ラムによって炭化室内のコークスと焼結鉱とを炉外に排出、コークスバケットでそれらを受けた。コークスバケット中のコークスと焼結鉱とは、そのままコークス乾式消火設備に投入され、通常の消火、熱回収操作を行って、コークス消火設備下部から排出した。排出された焼結鉱の温度は１５０℃であり、約１２０００kcalの乾留ガス顕熱が回収された。
【００３１】
また、この焼結鉱を一部採取し、分析を行ったところ、その還元率は２８％であり、化学エネルギーとしての熱回収量は約６０００kcalであった。また、焼結鉱に対し、０．７％の炭素質物質が付着していることも明らかとなった。また、このようにして得られたコークス、焼結鉱の混合物を高炉に送り、通常の操作を行ったところ、問題なく銑鉄が製造されることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のコークス炉発生ガス顕熱の回収方法を適用したコークス炉から高炉までの概略構成図である。
【図２】図１のコークス炉炭化室に設けられた上昇管並びに酸化鉄含有物質の構成図である。
【符号の説明】
【００３３】
１はコークス炉
２は炭化室
３はコークス
４は押出機ラム
５はコークスバケット
６はコークス乾式消火設備
７は高炉
８は上昇管
１３は安水スプレー
１４は目皿
１５は酸化鉄含有物質
【図１】
2005336231.tif 000003
【図２】
2005336231.tif 000004